MyPhotometrics: Photodiodenverstärker Pro-versjon: 6 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

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Var Sauron Plus?

Sauron Plus er en Pro-versjon av 4-kanals fotodiodenforsterkere. Sein Eingangsstrombereich von 20 nA- 5120 nA reichte allerdings nur für Lichtquellen geringer Intensitäten aus. Für die Messung von Lasern war es deshalb notwendig eine specialielle Sphäre aus LEGO zu verwenden, die die Intensität abschwächte and damit eine Übersättigung des Messinstruments verhinderte. Für professionalelle Zwecke er dette som ikke er optimalt.

Die Pro-versjon Sauron Plus gir en 1000-fache Erhöhung des Eingangstrombereichs mit bis zu 50mA. Denne versjonen gir en oversikt over en enkelt diode som kan brukes i MyPhotometrics Photo-Rack-realisierbar. Mit Sauron Plus er en av de beste mulighetene for å se versjoner av ting.

Høydepunkter:

• Eingangsstrombereich 20 nA - 50mA ·
• Auflösung 10-20 Bit
• Integrationszeit 1 - 1024 ms

Anwendungen:

• Kvalitetskontroller
• Komponententester
• Lebensdauertests
• Fotometer
• Powermeter
• …

Die Messung der Strahlungsintensität erfolgt weiterhin über eine Photodiode, die einfallendes Licht in einen messbaren Strom umwandelt. Die weitere Verarbeitung dieses Stromsignals ermöglichen mehrere Bausteine, die zusammen ein oszillatorisches Messverfahren erlauben, das einen deutlich höheren Eingangsstrombereich liefert. Durch die spezielle Verschaltung eines Kondensators, oszilliert die über ihn abfallende Spannung in einer Frequenz, die je nach Eingangsstrom variiert. Ein spenning til frekvensomformer vil resultere i spannungsspitzen i ett signal Signal mit bestimmter Frequenz um. Denne frekvensen kan av en mikrokontroller erfasst werden werden. Je höher die aufgenommene Frequenz ist, desto höher ist auch der Eingangsstrom, and somit auch die gemessene Lichtintensität.

In diesem Instructable zeigen wir die Herstellung der Hardware and die Anbindung and einen geeigneten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware for oneen (fast) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) and ein Beispiel-LabVIEW ™ -Programm as Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron PLUS im Labor nichts mehr im Weg.

La oss begynne…

Trinn 1: Aufbau Und Funktion Des Boards

Die goldfarbene Buchse (1), welche an der Platinenkante befestigt ist, dient als Anschluss einer Photodiode mittels Koaxialkabel. Folgend dient ein Relay (2) dazu zwischen den Varianten Sauron (Education) und der Pro-Variante Sauron Plus zu wählen. Mithilfe des hier verwendeten Arduino Nano (3) ist dieser Schalter ansteuerbar. Der Aufbau der Education Version er bereits in the Instructable erklärt und befindet sich in dem grün markierten Bereich.

Für die Verwendung von Photodioden with Signalstärken von mehreren mA is es notwendig das Signal der Diode noch vor der eigentlichen Messung zu dämpfen. Dazu dient der Transimpedanzverstärker (TIA) (4). Er schwächt das Messsignal mithilfe einer Widerstandskaskade (5) insoweit ab, dass an seinem Ausgang maximum 100uA fließen. Die Ansteuerung des TIA (und damit auch die Wahl des Messbereichs) erfolgt wiederum durch den Arduino und einen CMOS Multiplexer (6).

Sauron Plus misst die Strahlungsintensität mithilfe eines oszillatorischen Messverfahrens. Dazu dient der VFC (Voltage to Frequency Converter, zu deutsch auch U/f- Wandler) (7). Als Referenzspannung dient die Spannungsquelle (8), die man as schwarzen Block auf der Platine erkennen kann. Sie liefert 15V die durch einen 1: 1 Spannungsteiler auf die Hälfte abgesenkt werden. Resultatet 7, 5V kan følge følgende Verlauf der Signalverarbeitung as „Triggerpunkt“eines Komparators der Bestandteil des VFC ist. Die Spannung ligger på „Threshold“-Eingang an. Der Komparator vergleicht diese mit der Spannung, die am „Comp_Input“-Eingang anliegt.

(Hinweis: Wo genau sich diese Eingänge befinden, lässt sich im SauronPlus.sch nachvollziehen.)

Sobald eine höhere Spannung als 7, 5V anliegt, schaltet der VFC einen konstanten Strom, der den Kondensator C5 (9) auflädt. Zusammen mit einem Operationsverstärker (10) foto C5 einen Integrator. Fließt jetzt Strom aus dem TIA, wechselt die Eingangsspannung des Integrators die Polarität und der Kondensator entlädt sich. Die Ausgangsspannung, welche gleichermaßen der “Comp_Input“des VFC ist, sinkt. Sobald sie unter den Triggerpunkt fällt, schaltet der VFC den Ausgangsstrom ab. Durch diesen Vorgang oszilliert die Spannung, sodass Ladungsspitzen erkennbar sind. Diese lassen sich mit dem Arduino Nano zählen. Bei einem maximalen Input (Full Range) von -10V am Eingang des Integrators liefert der VFC e Frequenz von 100kHz. Da mit steigender Stromstärke das Entladen des Kondensators beschleunigt wird, spiegelt sich die Stromstärke in der resultierenden Frequenz wieder.

Einige der übrigen Bauteile dienen zur Verbesserung des Messignals, wie beispielsweise Pi-Filter (11) zum Glätten der Referenzspannung und Potentiometer (12) zum Entfernen von Offsets, resultierend through Kriechströme. Außerdem befinden sich mehrere Schutzvorrichtungen auf der Platine, wie beispielsweise Dioden (13), die vor zu hohen Strömen schützen. Desweiteren liefert ein Step-Down Converter (14) aus der Spannungsquelle von 15V die vom Arduino benötigte Versorgungsspannung von 5V und ein IO-Expander (15) dem Arduino weitere notwendige IO-Pins zur Ansteuerung der zahlreichen Bauteile.

Henvisning: Diese Funktionsbeschreibung ist grob zusammengefasst, da die Beschreibung der complexxeren Funktionen den Umfang dieses Instructables überschreiten würde. Wer sich tiefgehender über die Signalverarbeitung mittels VFC beschäftigen möchte, kann folgende Seiten besuchen:

• U/f_Wandler
• Datenblatt LM331AN

Trinn 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Zunächst werden einige Bauteile benötigt, die großteils bei dem Anbieter Farnell erhältlich sind. Für das Hochladen des bereitgestellten Warenkorbs ist eine Registration auf der Seite www.farnell.de notwendig. Jetzt muss die Datei BOMPLUS.xlsx heruntergeladen und unter "Meine Bestellungen" - "Stückliste hochladen" ausgewählt werden. Der Warenkorb wird automatisk zusammengestellt.

Der Warenkorb inneholder die exakten Bauteilmengen, die für Sauron Plus notwendig sind. Wir empfehlen jedoch die Stückzahl einiger Komponenten zu erhöhen. Dies gilt besonders bei Teilen, die bei der Verarbeitung schnell verloren gehen können (Widerstände, Kondensatoren).

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Bestill nå. Alternativt bare das Sauron+.brd file runterladen und bei einem beliebigen others PCB-Fertiger in Auftrag geben.)

Weitere notwendige Bauteile sind:

• Der AS89010 der Firma asm Sensors Germany wird bislang direkt vom Hersteller geordert. Der Verkaufspreis (Stand Mai 2017) ligger hos 6, 97 € je Einheit. Aufgrund firmeninterner Umstellungen gibt es den AS89010 allerdings schon bald bei arrow.com or futureelectronics.com.
• 2x der Arduino Nano (Nano Atmega 328P) z. B. hier für weniger as 5 € (Da nicht alle Pins notwendig sind, sollte das Board keine verlöteten Steckerleisten besitzen.)

. Nutzer überlassen. Bei der Erstellung dieses Projekts wurdeeded auch hier ein Arduino Nano ausgewählt.)

• Die SMA- Buchse, die Stiftleisten (4x) und ein übriger Widerstand (1x) z. B bei mouser.de
• Koaxialkabel RG174 zB. bei voelkner.de
• Übrige Kleinteile: 3, 3uF Kondensator (4x), das Relay und eine 100uH Spule (2x) z. B. bei digikey.de

(Hinweis: Sicher gäbe es einige Bauteile, die hier extra aufgeführt sind, auch bei farnell.com. Allerdings sind die Bauteile so gewählt, dass sich der Aufwand bei unterschiedlichen Distributoren zu bestellen Preis-Leistungs-technisch durchaus lohnt. Ein wichtiger Faktor, der möglicherweise nicht beachtet wird, ist hier die Abweichung eines Bauteils vom angegebenen Messwert in Prozent. Dies ist ein Qualitätsmerkmal, was in manchen Bereichen der Schaltung von Sauron Plus nicht zu umgehen ist.)

Prinzipiell ist jegliche Art einer Photodiode with the Messsystem compatible. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• BPX61 oder
• OSD-50-5T

Die BPX61 er en kostnadsfri løsning, som kan brukes enkelt og greit.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, die OSD-50-5T, zeichnet sich nicht nur durch ihre exzellente Empfindlichkeit aus, sondern leider auch durch einen sehr hohen Preis. Es sind häufig Angebote, z. B. hos Ebay, AliExpress usw., zu finden. Eine kurze Recherche dazu lohnt sich. Die Diode eignet sich mit einer active Fläche von 50qmm für Messungen mit einer direkten Einstrahlung der Quelle, auch ohne Messkugel. Allerdings ist die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt and übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Die Verwendung der OSD-50 er deshalb and aufgrundgrund ihres hohen Preises nur für professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Trinn 3: Anfertigen Der Hardware

Zum Anfertigen der Platine sollte zuerst mithilfe des Stencils Lötpaste auf die vorgesehenen Pads aufgetragen werden. Als Lötpaste empfehlen wir eine bleifreie Variante, z. B. SMD Solderpaste von Chipquik, zu verwenden, da ansonsten das Einatmen des entstehenden Rauchs beim Erhitzen gesundheitsschädlich wirken kann. Danach sind die einzelnen Bauteile and the richtigen Stellen zu platzieren. Dabei sollte bei den kleinen Bauteilen begonnen werden, um das Bestücken einfacher to gestalten. Zuletzt muss die bestückte Platine erhitzt werden, damit die Lötpaste die Bauteile an die Platine binden kann. Kleine Ungenauigkeiten in der Platzierung der Bauteile sind akzeptabel, beim Aufschmelzen der Lötpaste "zieht" die Oberflächenspannung des Lötzinns die Bauteile in der Regel.

Die Lötung erfolgt idealerweise mit einem professionalellen Lötofen z. B. einem Dampfphasen Lötofen. Da die Anschaffung eines solchen Geräts sehr teuer ist empfiehlt sich beispielsweise eine kostengünstigere Lösung in Form eines Reflow-Kits, das von PCB Pool angeboten wird.

(Hinweis: In unserer Vorgängerversion der Verstärkerplatine bot sich auch die improvisierte Variante der Erhitzung der Platine mit der Verwendung einer einfachen Herdplatte, zB einer Camping Herdplatte, an. Nach einem kurzen "Aufrauchen" der Lötstellen, ist der Lötvorgang abgeschlossen. eine kleinere Platine handel, war der Lötvorgang leichter zu beobachten and to control. Deshalb ist diese Variante for Sauron Plus nicht zu empfehlen.)

Danach folgt das Anbringen der Bauteile mit Steckverbindungen. Die einzelnen Steckverbinder sollten lurchungen mit the Kontakten verbunden werden (z. B. mit solch einem Lötkolben und Lötdraht).

Wie die Fertigung in einzelnen Schritten aussieht, wird im Video vorgestellt

Überschüssige Lötpaste führt bei SMD Bauteilen wie dem AS89010 mit einem Beinchenabstand von 0.635 mm schnell zu Kurzschlüssen nach dem Löten. Normalerweise lässt sich durch kurzes Erhitzen mit dem Lötkolben mit Hohlkehle der überschüssigen Zinn entfernen.

Som en fotodiode med en koaksialkabel kan vi bruke en instruks som ikke kan brukes.

Trinn 4: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

Für die grafische Darstellung der Messergebnisse lässt sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW ™ verwenden. LabVIEW ™ er for studenter og Schüler kostengünstig zu erwerben. siehe hier

(Hinweis: Das UserInterface for Sauron benötigt die Version NI LabVIEW ™ 2016)

Für die Kommunikation with the Arduino ist das Modul LabVIEW Interface for Arduino über den JKI VI Package Manager to installieren. Falls dieser noch nicht installiert ist, is there Package Manager hier for Download erhältlich. Achte darauf, dass der NI VISA Treiber installiert ist. Dies ist der Treiber, der für die Kommunikation mit dem Arduino zuständig ist.

Lade die.zip Datei LabVIEWPlus.zip herunter. Die darin enthaltene Datei SPLUS_RACK_4_SHUTTER.vi beinhaltet das mit LabVIEW ™ entwickelte virtuelle Instrument SauronPlus VI. Die VI stellt die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation and Konfiguration von Sauron Plus zur Verfügung.

(Hinweis: Die Datei muss unbedingt in the heruntergeladenen Ordner mit allen übrigen Dateien verbleiben, da die VI auch auf diese zugreifen muss.)

Trinn 5: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration Arduino

Der Arduino muss votter USB og den PC angeschlossen werden. Dieser Controller kontrolliert die Messdatenaufnahme.

For programmeringen med arduinoen kan vi få fri tilgjengelig åpen kildekode IDE Arduino -programvare ble gjort. Det er viktigere at kommunikasjonen med den riktige COM - porten (USB) kan brukes.

Die Datei FirmwareForBackplain.zip kan inneholde en av Sauron Plus -funksjonene med den arduino Nano notwendige Firmware. Denne fastvaren oppgraderer konfigurasjonen og das Auslesen der Messdaten med der ebenfalls bereitgestellten LabVIEW ™ -VI. Die Datei Sauron.ino wird auf den Controller geladen, der die Messdatenaufnahme kontrolliert.

Der Arduino muss dann, z. B. mithilfe von female-female Jumper Kabeln, mit dem Arduino auf der Platine verbunden werden. Dazu ist das Pinout (siehe oben) des Arduino hilfreich. Der Ausschnitt der Platine (s.o.) zeigt welche Pins miteinander verbunden werden. Dabei werden die Pins SDA, SCL and GND mit dem jeweils gleichnamigen verbunden. V+ muss mit dem 5V-Ausgang des Arduino Nano og INT_RDY mit dem INT0 Pin verbunden werden.

Die Firmware für den Arduino Nano, der er også tilgjengelig på Platine von Sauron Plus, finner du også i Datei ArduinoNANO_SPLUS.zip zur Verfügung gestellt. Die Datei SauronPLUS.ino wird jetzt auf den Platinencontroller gespielt.

Trinn 6: Anwendung Benutzer -grensesnitt

Nach dem Laden der Sauron PLUS VI lassen sich hier über das Benutzerinterface die Betriebsparameter einstellen.

Diese VI ist auch für die Nutzung mit dem Photo Rack geeignet. Aus diesem Grund stellt die VI ein Userinterface zur Bedienung von vier Kanälen gleichzeitig bereit.

• Schalter oben: schalten jeweiligen Messkanal für die Messung ein
• CH 1- CH4: schaltet den jeweiligen Messkanal für die Einstellungen mittels der runden Bedienelemente ein oder aus
• Strøm: Zeigt die auf die jeweilige Photodiode einfallende Leistung in W (Voraussetzung: Die Empfindlichkeit der Photodiode is known und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt.)
• Bølgelengde: Die Wellenlänge der Lichtquelle må være kjent og eingetragen werden
• COM: Auswahl des COM Ports zur Verbindung mit dem Arduino (kan ikke brukes til mikrokontroller).
• Nivå dB: Auswahl der Dämpfung i dB
• Integrasjonstid i ms: Auswahl der Integrationszeit des Messsingals i ms
• Kalibreringsfil: Jeder Messkanal benötigt ein eigenes File, welches die Kalibrierung der jeweiligen Diode beinhaltet. Die Files sind für die zwei verschiedenen Diodentypen in the Firmware des Systems verarbeitet and liegen ebenfalls in the Ordner indem sich die VI befindet.

(Hinweis: Die Datei None pd kann ausgewählt werden um one 1: 1 Messung ohne Kalibrierung durchzuführen.)

• Detektor: zeigt dann den ausgewählten Messkopf an
• Messung: startet die Messung
• Live -modus: startet kontinuierliche Messung

)